Wyznaczanie napręŜeń własnych
w wyrobach metalowych metodą rentgenowską
Determination of stresses in metal products by the x-ray method
Streszczenie
Rentgenograficzne metody pomiaru makronapręŜeń są powszechnie stosowane w badaniach, nie tylko próbek polikrystalicznych, lecz równieŜ w częściach maszyn. Omówiono zagadnienia napręŜeń własnych materiałów polikrystalicznych. Pokazano zasady pomiaru napręŜeń własnych przy zastosowaniu goniometru typu EG 4/201 w klasycznej dyfraktometrycznej tzw. metodzie sin 2ψψψψ. Na podstawie zapisów dyfrakcyjnych obliczono
warto-ści napręŜeń własnych. Przebiegi napręŜeń własnych są zgodne pod względem charakteru jak i wartowarto-ści, z przebiegami wyznaczonymi przez innych autorów.
Abstract
X-ray methods of macrostress measurement are widely applied not only for polycrystalline samples but also for parts of machines. In this paper principles of internal stress measurement using EG 4/201 goniometer and sin
2
ψ ψ ψ
ψ method have been described. Internal stresses have been calculated based on diffractogram patterns. The
results obtained in this work are in good agreement with those obtained by others. Słowa kluczowe: odkształcenie, makronapręŜenia, metoda sin 2
ψ, rentgenowskie stałe spręŜystości, profile linii dyfrakcyjnych
Key words: strain, macrostresses, sin 2ψ method, X-ray elastic constants, profiles of diffraction lines
1. WSTĘP
Rentgenowskie metody pomiarów napręŜeń są powszechnie stosowane w badaniach nauko-wych, kontroli technicznej materiałów i wyro-bów oraz ekspertyzach naukowo-technicznych. Jest to związane z postępem w dziedzinie apara-tury (automatyzacja, wspomaganie komputero-we) i zwiększeniem moŜliwości interpretacji dyfraktogramów.
W wielu procesach technologicznych: ob-róbce mechanicznej, obob-róbce plastycznej, odle-waniu, obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej, spawaniu i zgrzewaniu, wytwarzaniu pokryć dyfuzyjnych i cienkich warstw, montaŜu lub eksploatacji maszyn i urządzeń technicznych powstają róŜne stany napręŜeń, w istotny sposób zmieniające wytęŜenie materiału. Mogą to być zmiany korzystne lub niekorzystne wpływające
na zmęczenie, pękanie i zuŜycie materiałów oraz trwałość urządzeń.
NapręŜenia własne są to ogólnie napręŜenia pozostałe w materiale po zaprzestaniu działania sił, powodujących jego odkształcenie. NapręŜe-nia własne mają istotny wpływ na zachowanie się konstrukcji.
Wśród metod pomiarowych określone miejsce zajmuje rentgenograficzna metoda pomiaru na-pręŜeń tzw. sin2ψψ. ψψ
2. MODERNIZACJA GONIOMETRU DO POMIARU NAPRĘśEŃ EG 4/201
W Zakładzie Badania Metali znajduje się dyfraktometr rentgenowski Kristalloflex – 4 firmy Siemens z goniometrem do pomiaru na-pręŜeń EG 4/201. Dotychczasowy zapis para-
Rys. 1. Zmodernizowany goniometr do pomiaru napręŜeń własnych Fig. 1. Modernized goniometer for measurement of internal stresses
metrów pomiarowych uległ awarii, a sterowa-nie goniometrem do pomiaru napręŜeń odby-wało się ręcznie.
Wykonano modernizację goniometru EG 4/201 do pomiaru napręŜeń. Zastosowano krokowy przesuw detektora w goniometrze oraz nume-ryczną postać zapisu wyników pomiaru. Opra-cowano programy do rejestracji makronapręŜeń i analizy wyników. Wykonana modernizacja przyspiesza wykonywanie prac i zwiększa do-kładność wykonywanych pomiarów.
Goniometr EG4/201 do rejestracji obrazu dy-frakcyjnego w geometrii sin2
ψ ψ ψ ψ po modernizacji pokazuje rys. 1. 3. BADANIA WŁASNE 3.1. Materiał do badań
Badania przeprowadzono na Ŝelazie ARM-CO w postaci proszkowej (odpręŜony proszek), stali X210Cr12, stali X37CrMoV5-1 i stopie aluminium AlZn6Mg2Cu. Składy chemiczne badanych materiałów przedstawiono tablicy 1. Tablica 1. Skład chemiczny badanych materiałów
Table 1. Chemical composition of the investigated materials Skład chemiczny, (%) Materiał C Si Mn Cr Mo W V śelazo ARMCO 0,029 0,022 0,156 0,018 0,003 X210Cr12 1,9÷2,0 0,10÷0,60 0,20÷0,60 11,0÷13,0 0,60÷0,80 X37CrMoV5-1 0,33÷0,41 0,80÷1,20 0,25÷0,50 4,80÷5,50 1,10÷1,50 0,30÷0,50 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Al AlZn6Mg2Cu 0,5 0,5 1,4÷2,0 0,2÷0,6 1,8÷2,8 0,1÷0,25 5,0÷7,0 reszta Silniki krokowe Licznik scyntylacyjny BDS-6-06 Lampa Cr Stolik na próbki
tzw. metodę sin ψψ. ψψ 3.3. Pomiary kontrolne
Pomiary kontrolne przeprowadzono na od-pręŜonym proszku Ŝelaza ARMCO. Do analizy wybrano refleks (211) widoczny przy promie-niowaniu CrKα. Wyniki zaprezentowano w
ta-blicy 2. Wynika z niej, Ŝe zastosowane proce-dury pomiarowe dla goniometru EG 4/201 umoŜliwiają pomiar odległości międzypłasz-czyznowej z dokładnością ± 0.00001Ao i w tych granicach nie zmieniają się przy prób-ce wzorcowej (bez napręŜeń).
Tablica 2. Wyniki badań sprawdzających poprawność procedury pomiaru na proszku Ŝelaza ARMCO
(odpręŜony proszek)
Table 2. The results of checking investigations of the measurement procedure correctness on ARMCO iron powder (stress relieved powder)
Lp. Ψ [ ° ] d [ o A] 2Θ [ ° ] 1 -51 1,17351 154,643 2 -45 1,17350 154,648 3 -39 1,17351 154,646 4 -33 1,17350 154,649 5 -27 1,17350 154,650 6 -18 1,17350 154,651 7 0.0 1,17350 154,650
3.4. Parametry zapisów dyfrakcyjnych do pomiaru napręŜeń
Zapisy dyfrakcyjne wykonano stosując: • promieniowanie CrKα ,
• napięcie lampy 45kV, • natęŜenie 16 mA,
• szczelinę ograniczającą wiązkę pierwotną DS = 0,5°,
-27°, -18°, 0°.
Otrzymane profile linii dyfrakcyjnych dla: Ŝe-laza i stali (211) oraz stopu aluminium PA9 (311), wygładzono, odejmowano tło, odejmo-wano składową α2, a następnie wyznaczono
maksimum, z których liczono odległość mię-dzypłaszczyznową d221 i d311 stanowiącą pod-stawę do obliczeń napręŜeń. Stałe spręŜystości dla badanych próbek przyjęto z danych literaturowych:
- dla Ŝelaza ARMCO – s1 = 1,35, ½ s2 =
= 6,06 [5];
- dla stali X210Cr12 – s1 = 1,07, ½ s2 = 5,30
[5];
- dla stali 36CrMoV5-1 – s1 = 1,15, ½ s2 =
= 5,62 [5];
- dla stopu aluminium PA9 – s1 = 2,11, ½ s2=
= 5,63 [6]. 3.5. Wyniki badań
Na podstawie przeprowadzonych zapisów
dyfrakcyjnych w postaci wykresów
∆d/do = f (Ψ) (rys. 2÷5) obliczono wartość
na-pręŜeń własnych, które przedstawiono w tablicy 3.
Tablica 3. Wyniki pomiarów napręŜeń w badanych materiałach
Table 3. The results of stress measurements in the investigated materials
Wartość napręŜenia [MPa] Materiał σϕ=90° σϕ=0° σ1 σ2 ARMCO (E04J) +13 +19 +22 +14 X210Cr12 -368 -352 -357 -372 X37CrMoV5-1 +77 -153 -188 +44 AlZn6Mg2Cu -116 -395 -260 +18 gdzie: σϕ=90° - napręŜenie w kierunku ϕ = 90°,
σϕ=0° - napręŜenie w kierunku ϕ = 0°,
-0.0005 -0.0004 -0.0003 -0.0002 -0.0001 0.0000 0.0001 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 ψ d /d o
Rys. 2. Wykres zaleŜności ∆d/do = f (Ψ) dla Ŝelaza ARMCO (odpręŜony proszek)
Fig. 2. ∆d/d0 = f(ψ) relationship for ARMCO iron (stress relieved powder)
-0.0014 -0.0012 -0.001 -0.0008 -0.0006 -0.0004 -0.0002 0 0.0002 -50 -40 -30 -20 -10 0 ψ d /d o
Rys. 3. Wykres zaleŜności ∆d/do = f (Ψ) dla stali X210Cr12
Fig. 3. ∆d/d0 = f(ψ) relationship for steel X210Cr12
-0.0008 -0.0006 -0.0004 -0.0002 0.0000 0.0002 0.0004 -50 -40 -30 -20 -10 0 ψ d /d o
Rys. 4. Wykres zaleŜności ∆d/do = f (Ψ) dla stali X37CrMoV5-1
Fig. 4 ∆d/d0 = f(ψ) relationship for steel X37CrMoV5-1
-0.0015 -0.001 -0.0005 0 0.0005 0.001 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 ψ d /d o
Rys. 5. Wykres zaleŜności ∆d/do = f (Ψ) dla stopu aluminium AlZn6Mg2Cu
Fig. 5. ∆d/d0 = f(ψ) relationship for aluminium alloy AlZn6Mg2Cu
4. OMÓWIENIE WYNIKÓW
Badanie zerowego stanu napręŜeń wła-snych wykonano na preparacie proszkowym Ŝelaza ARMCO. Próbkę wykonano z luźnego proszku w stanie wyŜarzonym. Jak widać z rys. 2 (współczynnik kierunkowy krzywych bliski zera) i tablicy 3 w próbce z Ŝelaza ARMCO róŜnice zmierzonego napręŜenia oscylują około 20 MPa. Wyniki naleŜy uznać za prawidłowe, poniewaŜ mieszczą się w gra-nicach dokładności pomiarowej goniometru ±40MPa.
Stale X210Cr12, X37CrMoV5-1 po ob-róbce cieplnej mają zróŜnicowane napręŜenia własne. W stalach tych na końcowy stan naprę-Ŝeń własnych mają wpływ czynniki obróbki mechanicznej (szlifowanie) przeprowadzone po obróbce cieplnej oraz stopień przemiany auste-nitu szczątkowego.
Makroskopowe napręŜenia własne w stopie aluminium PA9 (po walcowaniu) posiadają duŜy gradient w kierunkach określonych orien-tacją wektorów dyfrakcyjnych, ze względu na duŜą teksturę w kierunku wzdłuŜnym.
5. WNIOSKI
Wyniki pomiarów i obliczeń napręŜeń wła-snych w róŜnych materiałach pozwalają na stwierdzenie, Ŝe dyfrakcyjna metoda sin2ψψψψ jest w pełni dopracowana i przydatna do pomiarów
cy charakter badań,
• metoda sin2ψψψψ jest szczególnie przydatna w pomiarze gradientowych napręŜeń wła-snych,
• metoda sin2ψψ umoŜliwia pomiar napręŜeń ψψ głównych,
• metodę sin2ψψψψ moŜna zastosować do mie-rzenia wartości napręŜeń własnych kaŜdej fazy w materiale wielofazowym,
• metoda sin2ψψψψ umoŜliwia doświadczalny pomiar stałych spręŜystości przy uŜyciu przystawki umoŜliwiającej otrzymanie na-pręŜeń o znanych wielkościach,
• otrzymane przebiegi napręŜeń własnych są zgodne pod względem charakteru jak i war-tości z przebiegami przedstawionymi w pracach innych autorów,
• niekorzystną cechą goniometru
EG4/201 w kontekście innych
geometrii dyfrakcji jest ograniczony zakres kątów ϕ ∈ (0°÷90°), ψ ∈ (-10°÷+60°) i 2θ ∈ (110°÷160°),
• główne źródło błędów pomiarowych zwią-zane jest z niedokładnym ogniskowaniem (przesunięcie płaszczyzny próbki wzglę-dem osi goniometru).
LITERATURA
[1] Dehlinger U., Kochendörfer A., Z. Kris-tall, 101 (1939) 134.
[2] Dehlinger U., Kochendörfer A., Z. Me-tallkunde, 31, (1939) 231.
[3] Davidenkov N.N., Rentgenografija, wyd. Mašgis (1951).
[4] Senczyk D., „Rentgenowskie metody i techniki badania struktury materiałów”, wyd. Politechniki Poznańskiej (1984). [5] Senczyk D., „Rentgenograficzne stałe
spręŜyste niektórych stali konstrukcyj-nych i narzędziowych oraz Ŝelaza ARMCO”, Zesz. Nauk. Politechniki Poznańskiej, Mechanika, 1990, nr 34, s. 65.
[6] Bierwirth G., Die industrielle Anwen-dung der röntgenographischen Span-nungsmessung, Der Maschinenmarkt (1961), nr 4.
